多層微波印制板制造工藝及裝聯(lián)技術(shù)研究

崔 潔，楊維生

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

多層微波印制板制造工藝及裝聯(lián)技術(shù)研究

崔 潔，楊維生

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

使用CLTE-XT微波基板、fastRise-28和CuClad6700粘結(jié)片，重點(diǎn)研究了多層微波印制板制造工藝中多層化壓制、數(shù)控鉆孔、孔壁鉆污處理、孔金屬化活化處理等關(guān)鍵工藝，實(shí)現(xiàn)了陶瓷粉填充聚四氟乙烯介質(zhì)多層印制板的制造。此外，對(duì)多層微波印制板后續(xù)電子裝聯(lián)技術(shù)進(jìn)行了探討。本項(xiàng)研究結(jié)果表明，選用合適的粘結(jié)片材料，能夠?qū)崿F(xiàn)聚四氟乙烯樹脂體系基板材料的多層化制造。

微波；多層印制板；裝聯(lián)技術(shù)

引 言

微波通訊設(shè)備小型化、模塊化的飛速發(fā)展對(duì)多層微波印制板的需求變得越來越迫切[1]，多層微波印制板制造工藝成為當(dāng)前印制板制造工藝研究領(lǐng)域內(nèi)一項(xiàng)新的課題。

多層微波印制板的制造離不開微波介質(zhì)覆銅板和粘結(jié)片材料。20世紀(jì)90年代末，美國Rogers公司生產(chǎn)的RT/Duroid系列主要有玻璃短纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯(PTFE)覆銅板、陶瓷粉填充聚四氟乙烯覆銅板；此外，美國Arlon公司、Taconic公司也推出其微波基板材料，為廣大通訊設(shè)計(jì)者提供了更為寬闊的選擇范圍。為適應(yīng)印制板制造工藝，材料供應(yīng)商也開發(fā)出了多種粘結(jié)片材料，包括熱固性粘結(jié)片和熱塑性粘結(jié)片。

微波介質(zhì)覆銅板和粘結(jié)片材料的多樣性給多層微波印制板制造工藝的研究帶來了較大的困惑[2]。對(duì)于雷達(dá)類產(chǎn)品用多層微波印制板的設(shè)計(jì)和制造，多數(shù)選用介電常數(shù)2.94左右、陶瓷粉填充的聚四氟乙烯覆銅箔層壓板材料。為此，本文圍繞雷達(dá)產(chǎn)品從多層微波印制板需要出發(fā)，選擇陶瓷粉填充的聚四氟乙烯覆銅箔層壓板材料、Arlon公司的CuClad6700熱塑性粘結(jié)片材料和Taconic公司的fastRise-28熱固性粘結(jié)片材料，重點(diǎn)對(duì)微波多層印制板制造的難點(diǎn)——多層壓制工藝和高厚徑比孔金屬化制作，開展相關(guān)研究工作。

同時(shí)，鑒于多層微波印制板的厚度較大，孔徑尺寸差異較大，多層微波印制板不僅采用熱固性粘結(jié)片材料，有時(shí)還采用熱塑性粘結(jié)片，裝聯(lián)工藝有其特殊性。因此本文針對(duì)多層微波印制板后續(xù)電子裝聯(lián)實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行探討，以便為微波多層印制板的推廣應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 覆銅箔層壓板材料選擇

如前所述，覆銅箔層壓板材料多樣。表1為三家材料商提供的微波基板。其中，Rogers公司生產(chǎn)的RT/duroid 6002板材，是一種陶瓷粉填充的聚四氟乙烯覆銅箔層壓板材料；Arlon公司生產(chǎn)的CLTE-XT板材，是一種陶瓷粉填充、玻璃纖維編織布增強(qiáng)的聚四氟乙烯覆銅箔層壓板材料；Taconic公司生產(chǎn)的TSM-29板材，也是一種陶瓷粉填充、玻璃纖維增強(qiáng)的聚四氟乙烯覆銅箔層壓板材料。

表1 RT/duroid 6002、CLTE-XT、TSM-29微波基板性能一覽

雖然聚四氟乙烯樹脂體系介質(zhì)基板材料因陶瓷粉填充方式、層壓設(shè)備、工藝水平及制程能力的差異，即使是相同介電常數(shù)的材料，其可制造性能也會(huì)存在不同程度的差異[3]。本文選擇Arlon公司生產(chǎn)的CLTE-XT板材作為覆銅箔層壓板，開展多層微波印制板的制造工藝試驗(yàn)，不僅可研究、驗(yàn)證該板材的層壓、孔金屬化工藝參數(shù)，也可為其他聚四氟乙烯樹脂體系介質(zhì)基板材料的多層微波印制板工藝提供參考。

1.2 粘結(jié)片材料選擇

可選粘結(jié)片材料品種繁多，常用的粘結(jié)片見表2。

表2 常用粘結(jié)片性能一覽

由表2可見，盡管可選粘結(jié)片材料品種繁多，但大體可分為熱固性粘結(jié)片和熱塑性粘結(jié)片。兩類粘結(jié)片采用的樹脂不同，對(duì)多層微波印制板的壓制工藝、孔金屬化工藝及后續(xù)電子裝聯(lián)工藝可能存在不同的特點(diǎn)。因此本文分別選擇了Taconic公司的fastRise-28熱固性粘結(jié)片和Arlon公司的CuClad6700熱塑性粘結(jié)片作為研究對(duì)象，開展多層微波印制板的制造工藝和多層微波印制板電子裝聯(lián)工藝試驗(yàn)，使研究結(jié)果具有一定的普遍性。

1.3 研究過程

多層微波印制板由于采用聚四氟乙烯樹脂體系介質(zhì)基板材料以及相應(yīng)的粘結(jié)片，與普通多層印制板制造工藝相比，主要區(qū)別在于層壓和孔金屬化。為了重點(diǎn)考察多層微波印制板的層壓、孔金屬化及后續(xù)的裝聯(lián)工藝，本文采取以下研究流程：內(nèi)層圖形制作—層壓—數(shù)控鉆孔—孔金屬化—外層圖形制作—印制板性能測(cè)試—裝聯(lián)工藝試驗(yàn)—焊點(diǎn)檢測(cè)。

以CLTE-XT板材制作內(nèi)層圖形，分別采用Taconic公司的fastRise-28熱固性粘結(jié)片、Arlon公司的6700熱塑性粘結(jié)片進(jìn)行層壓工藝試驗(yàn)。印制板制作完成后分別進(jìn)行常態(tài)和熱應(yīng)力試驗(yàn)后的金相切片檢測(cè)，以考察層壓、金屬化孔的完整性及其耐熱應(yīng)力性能。對(duì)成品多層微波印制板進(jìn)行手工焊接和選擇性波峰焊機(jī)焊接電裝工藝試驗(yàn)，考察裝聯(lián)工藝的適用性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

按照上述方法制成多層微波印制板，質(zhì)量良好，符合GJB362的相關(guān)要求。以下就層壓、孔金屬化及裝聯(lián)工藝等試驗(yàn)結(jié)果做重點(diǎn)討論。

2.1 層壓試驗(yàn)結(jié)果

無論選用的粘結(jié)片材料是fastRise-28還是CuClad6700，層壓過程工藝控制是成功實(shí)現(xiàn)多層微波印制板制造的基礎(chǔ)。試驗(yàn)中fastRise-28及CuClad6700層壓參數(shù)控制分別見圖1和圖2。

圖1 fastRise-28層壓參數(shù)控制曲線

圖2 CuClad6700層壓參數(shù)控制曲線

通過目視檢查，壓制的多層微波印制板層間結(jié)合良好，無分層、起泡、白斑等層壓缺陷。fastRise-28 及CuClad6700層壓后金相切片如圖3和圖4所示。

圖3 fastRise-28層壓后孔化切片圖

圖4 CuClad6700層壓后孔化切片圖

結(jié)果表明，對(duì)于fastRise-28和CuClad6700，層壓后CLTE-XT層間結(jié)合均良好，樹脂填充充分。用fastRise-28壓制的多層微波印制板經(jīng)過條件為(260±3)℃、漂錫10 s的熱應(yīng)力試驗(yàn)后金相切片見圖5。

圖5 fastRise-28層壓熱應(yīng)力試驗(yàn)后切片圖

由圖5可見，經(jīng)熱應(yīng)力試驗(yàn)后，層間結(jié)合依然良好，無粘接分層現(xiàn)象，表明該印制板可以適應(yīng)后續(xù)的波峰焊、再流焊及手工焊接工藝。

用CuClad6700壓制的多層微波印制板，進(jìn)行烙鐵焊接、解焊、再焊接熱應(yīng)力試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：烙鐵頭溫度(270±10)℃，焊接時(shí)間(4±1)s，焊盤冷卻后，用烙鐵在(4±1)s內(nèi)將金屬絲解焊下來，焊接循環(huán)3次。熱應(yīng)力試驗(yàn)金相切片見圖6。

圖6 CuClad6700層壓熱壓力試驗(yàn)后切片圖

由圖6可見，經(jīng)熱應(yīng)力試驗(yàn)后，層間結(jié)合依然良好，無粘接分層現(xiàn)象，表明該印制板可以適應(yīng)手工焊接工藝。

2.2 孔金屬化試驗(yàn)結(jié)果

眾所周知，多層微波印制板的功能實(shí)現(xiàn)，必須建立在高品質(zhì)互連孔的基礎(chǔ)上。多層微波印制板孔金屬化的質(zhì)量與數(shù)控鉆孔、孔壁鉆污處理、孔金屬化活化等工藝密切相關(guān)[4]。數(shù)控鉆孔工藝直接影響孔壁質(zhì)量和孔壁鉆污程度；孔壁鉆污處理關(guān)系到金屬化孔壁與導(dǎo)電圖形連接的可靠性；孔金屬化活化可為聚四氟乙烯樹脂介質(zhì)材料提供良好的表面，保障連續(xù)的孔內(nèi)金屬化層的獲得[5]。本文根據(jù)鉆孔工藝試驗(yàn)結(jié)果，選擇鉆孔質(zhì)量好、孔壁鉆污少的鉆孔工藝參數(shù)(見表3)進(jìn)行多層微波印制板的數(shù)控鉆孔，并按表4、表5的參數(shù)進(jìn)行孔壁鉆污處理、孔金屬化活化工藝試驗(yàn)，采用常規(guī)的孔化、電鍍工藝進(jìn)行多層微波印制板孔金屬化處理，并對(duì)金屬化孔進(jìn)行金相切片檢查，檢查結(jié)果見圖3～圖6。

表3 多層微波印制板數(shù)控鉆孔參數(shù)

表4 孔壁凹蝕處理工藝參數(shù)

表5 PTFE材料表面等離子處理工藝參數(shù)

由圖3～圖6可見，PTFE多層微波印制板孔金屬化質(zhì)量良好，金屬鍍層與導(dǎo)電圖形連接可靠，孔壁均勻，無鍍層孔洞等缺陷；熱應(yīng)力試驗(yàn)后未出現(xiàn)鍍層分離、孔壁開裂等缺陷，表明所采取的孔金屬化相關(guān)工藝措施切實(shí)、有效。

2.3 裝聯(lián)工藝問題

鑒于多層微波印制板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，成品板的厚度較大，孔徑尺寸差異較大，加之表面電路及內(nèi)層電路設(shè)計(jì)的特殊性，給后續(xù)裝聯(lián)帶來了一些問題。另外與普通多層印制板相比，多層微波印制板不僅采用熱固性粘結(jié)片材料，有時(shí)還采用熱塑性粘結(jié)片，這也使裝聯(lián)工藝的選擇受到限制。如裝聯(lián)工藝選擇不當(dāng)，不僅影響裝聯(lián)的質(zhì)量，而且在裝聯(lián)操作過程中易造成多層微波印制板分層、起泡等缺陷，影響多層微波印制板的可靠性。因此分別采用手工烙鐵焊、選擇性波峰焊對(duì)多層微波印制板進(jìn)行了通孔插裝工藝試驗(yàn)，裝聯(lián)工藝結(jié)果表明，在多層微波印制電路裝聯(lián)工藝設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮以下問題：

1)焊接方式的選擇必須考慮多層微波印制板所用的粘結(jié)片的特性。對(duì)熱固性粘結(jié)片制作的多層微波印制電路，可采用與FR-4多層印制板相同的焊接方式，如波峰焊、再流焊、手工烙鐵焊等；對(duì)熱塑性粘結(jié)片制作的多層微波印制電路，選擇焊接方式時(shí)應(yīng)避免多層微波印制板的整體溫度超過粘結(jié)片的熔化溫度，以免造成印制板分層、起泡等缺陷。裝聯(lián)實(shí)踐表明，對(duì)熱塑性粘結(jié)片制作的多層微波印制電路，手工烙鐵焊接是一種比較安全可靠的焊接方式。

2)焊接工藝參數(shù)的選擇必須考慮多層微波印制板的結(jié)構(gòu)特征。由于微波性能的特殊要求，多層微波印制板的介質(zhì)層一般比數(shù)字電路印制板的介質(zhì)層厚，成品板的厚度較大，往往達(dá)到幾個(gè)mm，因此印制板熱容量較大。同時(shí)，因高厚徑比的孔金屬化難度大，成品板的插裝孔孔徑尺寸差異較大。所以必須選擇合理的焊接工藝參數(shù)、采用流動(dòng)性好的焊料，才能保證厚板孔徑里獲得充分的焊錫填充。本文裝焊中采用PbSn共晶焊料、印制板預(yù)熱、適當(dāng)提高焊接溫度等工藝措施，獲得了滿意的通孔焊接質(zhì)量。對(duì)熱固性粘結(jié)片制作的多層微波印制板，結(jié)合微波多層板預(yù)熱，采用定制型選擇性波峰焊機(jī)焊接，可獲得滿意的通孔焊接質(zhì)量。環(huán)境考核試驗(yàn)表明，焊點(diǎn)的環(huán)境適應(yīng)性能滿足高可靠電子產(chǎn)品要求。

3 結(jié)束語

本次研究采用了熱固性和熱塑性樹脂粘結(jié)片，獲得了一次層壓成形的陶瓷粉填充聚四氟乙烯多層微波印制板制造工藝的突破。結(jié)果表明，只要在層壓、孔金屬化相關(guān)工藝方面采取特殊措施，其他工序采用常規(guī)多層印制板工藝，完全可以制作出合格的多層微波印制板；但必須根據(jù)多層微波印制板所采用的粘結(jié)片類型選擇裝聯(lián)工藝方法，才能保證通孔插裝的焊接質(zhì)量。

多層微波印制板的結(jié)構(gòu)類型較多，有些往往有預(yù)埋孔、盲孔，甚至埋置無源器件，需要多次壓制成形；有些采用其他熱固性介質(zhì)材料。因此，這類多層微波印制板的制作工藝還有待進(jìn)一步的研究。

[1] 朱建軍. 國外高頻印制板基材發(fā)展情況[J]. 電子機(jī)械工程, 1995(5): 60-63.

[2] 李海. 微波射頻用印制板的選材[J]. 印制電路信息, 2004(10): 17-19.

[3] 陳旭, 方芳. 陶瓷粉填充聚四氟乙烯復(fù)合介質(zhì)板介質(zhì)損耗控制研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2009, 25(6): 28-30, 61.

[4] 楊維生. 多層印制板金屬化孔鍍層缺陷成因分析及相應(yīng)對(duì)策[J]. 電子機(jī)械工程, 2000(2): 53-58.

[5] 陳旭. 等離子體處理技術(shù)在微波印制板生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2003, 19(6): 31-33.

崔 潔(1962-)，女，工程師，主要從事電子裝聯(lián)工藝研發(fā)與設(shè)計(jì)。

楊維生(1961-)男，高級(jí)工程師，主要從事PCB制造工藝研發(fā)與設(shè)計(jì)。

Study on Manufacturing and Assembly Technologies of Multilayer Microwave Printed Circuit Board

CUI Jie，YANG Wei-sheng

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Using CLTE-XT microwave substrate, fastRise-28 and CuClad6700 bonding sheets. Key techniques in multilayer microwave printed circuit board (PCB) manufacturing such as multilayer press, CNC drilling, drilling sewage processing of hole wall, hole metallization activation are mainly studied. The manufacturing of ceramic powder filled PTFE dielectric multilayer microwave PCB is realized. The technology of successive assembly of the multilayer microwave PCB is also investigated. According to the results of this study, by choosing proper bonding sheet material, the multilayer manufacturing of the PTFE resin system substrate can be achieved.

microwave; multilayer printed circuit board; assembly technology

2014-04-01

TN405

A

1008-5300(2014)04-0054-04